中压交流电动机使用固态软起动器与液体变阻器起动的比较

1． 概述
一般交流电动机功率在300KW以上时，为了减少电机绕组的线径，便于加工和降低损耗，就采用中压。国内标准中压为3KV、6KV、10KV，上则有2.3KV、3.3KV、4.16KV、6.6KV和13.8KV等电压等级。对于中压异步电动机在电网容量和工艺条件允许的情况下可以直接起动，如果电动机的起动容量对电网冲击较大，造成电网压降过大（标准规定的允许值为10%），或者工艺条件不允许的情况下要用降压起动。传统的中压异步电动机降压起动方法有在定子回路串联电抗器、或串联液体电阻器、或使用自耦变压器降压起动等。随着晶闸管的问世，从二十世纪七十年代开始推广应用晶闸管交流调压技术的低压固态软起动器，之后随着电力电子技术的进步，美国Benshaw公司于1988年推出了世界上*台中压固态软起动器，迄今已有上千台中压软起动器在世界各地运行。本文拟对中压固态软起动器与液体变阻器起动方式作比较，以促进新技术在中国的推广。

2． 交流异步电动机的起动特性
交流异步电动机的固有机械特性如图1所示。
它可以用下式表示：
（1）
式中m1为定子相数
s为转差率
r1、x1为定子绕组电阻和电抗
r1’、x1’为转子折算到定子电路的电阻和电抗
， 为电机同步转速。
异步电动机的定子电流I1：
（2）
为异步电动机的励磁电流，它与电动机定子电压有关，随外加电压的升高而增大。 为转子电流折算到定子侧的电流。在正常工作时 ，所以 。
（3）
当s=1时，也即电机静止时，就得到电机在全压下的起动转矩Mst
（4）
此时，电机在全压下的起动电流为：
（5）
对于一般异步电动机，它通常为4~7倍电机的额定电流。
当s=sm时，电机转矩达到zui大值Mm，sm称为临界转差率，它等于：
（6）
（7）
式中正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态（机械特性在第二象限的延伸部分）。

3．中压交流电动机采用固态软起动器起动
中压异步电动机采用固态软起动器的接线如图2所示。
现代的固态软起动器是用微电脑控制的晶闸管交流调压器，改变晶闸管的移相控制角，就可以调节其输出电压。交流电动机在改变其端电压时的转矩特性，由式（1）可见，转矩与电压的平方成正比：
；
而zui大转矩所对应的转差率Sm保持不变。因此其机械特性如图3所示。

固态软起动器的输出响应非常快，输出电压对移相控制信号的平均响应时间只有3.3ms。它可以有多种调节方法，zui常用的做法就是采用电压斜坡控制，使软起动器输出电压随时间线性上升，直到全电压输出；在采用电流反馈的情况下，可以保证起动电流恒定；在采用适当软件，例如Benshaw公司的产品“Tru Torque”软件下，也可以做到恒转矩控制。

4．中压交流电动机采用液体变阻器起动
在一个桶里装满导电液体，通常是碱金属盐溶液，插入二个电极，在电极间就形成电阻，其电阻值大小与电极间的距离成正比，调节电极间的距离就能调节这个电阻值的大小。将这样的可变电阻串入交流电动机定子或转子电路（见图4），就可以用来平滑地起动电机。
交流电动机定子回路每相串接对称电阻Rst的转矩由式（1）可得：
（1）
起动转矩
（2）
起动电流
（3）
所以 （4）
即起动转矩与起动电流的平方成正比，从效果上说与降低端电压相同。
临界转差率 ； （5）
zui大转矩 ； （6）
它们都随着Rst的串入而减少了。
定子电路每相串接对称电阻的机械特性示于图5中
需要注意的是起动期间，串联电阻的功耗很大。

采用液体变阻器起动交流电动机是一种古老的方法。当然，随着技术的进步，电极的位置可以应用伺服控制系统，也可以用微电脑来控制，并作系统的监控保护等。所以国内有制造厂提供这样的设备，图4就是其电气原理图。起动电机M时先合上真空接触器KM2和KM3，将液体电阻Rst串入电动机定子回路中，并通过伺服控制系统使液体电阻的电极逐步移进，直到短路，这时将真空接触器KM1合上，电动机M就直接接至电网，从而完成起动过程。这种设备有许多致命缺点；一是它如同一个电解槽，每起动电机一次，就要剧烈发热，液体电阻温度大大升高，其电阻随温度上升而减少。所以如果用在需重复起停的场合，即使有足够的间歇时间，其每次起动电流也都不一样。例如中石化高桥分公司炼油厂在其1号冷冻机组上采用了液体变阻器，其电机为6KV 3200KW，额定电流为35，空载起动。他们做了两次起动试验，第二次起动是在*次起动、停车20分钟，等电机绕组温度降到25.8℃后进行的，表一为二次起动的数据（文一）。
表1 高桥化工厂应用液体变阻器二次起动的数据
项目 起动电流（A） 母线电压（KV） 起动时间（s） 液阻温度（℃）
*次起动 800 6.2 16 22
第二次起动（在*次起动停车20分钟后） 900 6.0 20 33
由此可见，液体变阻器是非常不稳定的一种电机起动设备，并且不宜用于需反复起停的场合。
另外，由于电解液受热会挥发，需要不断补充，并且电极会电解掉，需要定期更换。另外电解液挥发所带出的盐雾也会腐蚀周围的电气设备。因此非但它本身的寿命不长，而且也会影响其它电气设备的寿命。二是电解液是负温度特性，随着电解液温度的升高，电阻值降低，电流增加，在起动过程中，随着热量的积累，温度上升，电阻变化较大，这就使得它在二次起动之间必须充分冷却从而限制了它的起动频率（每小时起动次数）。三是其阻值是由伺服电机驱动电极的运动来调整的，因此响应比较慢。四是其体积非常庞大。五是维修工作量大。

5．固态软起动器与液体变阻器起动中压电动机的比较
兹以一台定子为△接法的1400KW鼠笼型电动机（带风机）为例，分别用固态软起动器与液体变阻器起动作比较。
电动机额定功率 Prat=1400KW
额定电流 Urat=6KV
额定电压 Irat=154.4A
额定转速 Nrat=1488r.p.m
额定转矩
总飞轮转矩GD2=2056kgfm2
电动机在全压下的转矩和电流特性（标么值）、负载空载转矩特性示于表2中。
表2
转速 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 0.98
转差率 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.02
电机在全压下的转矩 1.165 1.205 1.248 1.296 1.346 1.397 1.461 1.53 1.752 2.338 1.669 1.27
电机在全压下的电流 6.381 6.3 6.207 6.096 5.963 5.796 5.607 5.38 5.093 4.53 2.57 1.7
负载在阀门全关时的转矩 0.109 0.0884 0.079 0.0809 0.0811 0.0988 0.1194 0.146 0.18 0.23 0.26 0.305
10%加速力矩所需电压 0.423 0.395 0.378 0.374 0.367 0.377 0.387 0.401 0.40 0.376 0.464 0.565
10%加速力矩所需电流 2.702 2.488 2.35 2.277 2.187 2.186 2.173 2.157 2.036 1.702 1.194 0.96
该风机在10%电机额定力矩加速下，整个起动时间约为89秒。液体变阻器的功耗为44.03度电。
在上述电机和负载下，固态软起动器与液体变阻器的比较示于表3中。
表3 1400KW异步电动机采用固态软起动器与液体变阻器的比较

 美国*中压固态软起动器(带旁路真空接触器) 国产液体变阻器(带旁路开关)
外形尺寸 mm 1102×882×2254 (1700+1200)×1200×2800
体积 m3 2.191 9.744
价格(人民币) 52万(包括隔离开关和旁路真空接触器) 24万(包括国产旁路开关柜)
在起动时软起动器的功耗(KWh) 0.25 44
寿命 长，估计20年以上 短，估计5年左右
控制灵活性 好 差
起动电流重复性 每次起动都相同，稳定性和重复精度高 每次起动都不同，稳定性和重复精度很差
控制响应时间 快 慢
基建投资费用 占地面积小投资少 占地面积大投资多
维修费用 低 高

有些场合会有多台设备（例如二台以上风机或水泵）需要起动，这时，如用固态软起动器就可以采用一台软起动器依次起动多台电机的方式，对每台电机只需增加二台真空接触器（它们可以装在一个KyN型金属铠装式开关柜内，价格约10万元）。但如果用液体变阻器，由于其起动发热十分严重，就不宜采用一台液体变阻器依次起动多台电机的方式。所以在这种情况下，采用固态软起动器的初始投资也比采用液体变阻器便宜。

同时有三台6KV 1400KW电机需依次起动，采用固态软起动器与液体变阻器的部分指标比较（未列指标比较同表3）见表4
表4
指标 固态软起动器（一拖二） 液体变阻器方案
外形尺寸(mm) 1102×882×2254+2×(1000×1660×2800) 2×(2900×1200×2800)
体积（m3） 11.487 19.488
设备价格(万元) 72 48

同时有三台6KV 1400KW电机需依次起动，采用固态软起动器与液体变阻器的部分指标比较（未列指标比较同表3）见表5。
表5
指标 固态软起动器（一拖三） 液体变阻器方案
外形尺寸(mm) 1102×882×2254+3×(1000×1660×2800) 2×(2900×1200×2800)
体积（m3） 16.135 29.232
设备价格(万元) 82 72

不同质量的开关柜本身价格就有很大差异，例如一台普通国产真空断路柜不超过10万元，而合资企业（无论是Siemens或ABB公司）生产的则将近30万元。考虑到这个因素，上表中的价格差是很自然的，它只是表徵不同质量的价格差。对于6KV交流电动机来说，虽然单台固态软起动器比液体变阻器价格贵，如综合考虑基建投资费用，日常运行费用，设备寿命和性能等因素，固态软起动器比液体变阻器无论是技术或经济二方面均要优越得多，显然应当推广应用固态软起动器，特别是在起动多台设备情况下，毫无疑问应该选用固态软起动器而不是液体变阻器。